嵌段共聚物自组装作为一种构筑有序纳米结构的有效方法,所得的有序结构组装体为制备多孔材料提供了理想的造孔模板。例如,多孔碳具有良好的导电性、较高的比表面积和结构稳定性,广泛应用于能源存储和转换领域。燃料电池是将化学能转化为电能的能量转换装置,氧还原反应(ORR)是实现这一转化的关键步骤。在这一领域中,氮掺杂碳材料作为ORR的无金属催化剂而受到广泛关注。材料的催化性能取决于有效催化位点的利用率,也取决于反应物能否容易接触到材料内部的催化位点。二维结构有利于活性位点的暴露,同时引入介孔结构可以加快反应物向活性位点的迁移速度。但是,二维片层容易堆积与聚集,这使得氧分子很难扩散到堆叠的纳米片内部,从而降低了活性位点的利用率,如图1所示。因此,引入贯穿孔可以缩短气体到堆叠纳米片内部的扩散距离,从而对性能的改善产生显著影响。另外,即使贯穿孔存在,二维材料紧密堆叠后,部分孔隙仍然不可避免地发生错位堵塞。为了克服这一问题,将具有贯穿孔结构的二维材料以三维形式进行堆积(图1),可以是一种有效的解决方案。由于缺乏合适的方法,这些概念在二维材料的制备和应用研究中尚未实现。
我们提出了一种基于二维自牺牲模板的界面自组装合成策略:以商业化的Pluonic三嵌段共聚物P123为造孔模板、层状双金属氢氧化物(LDH)为自牺牲模板、间苯二胺为单体,通过它们的协同界面自组装可控制备了具有柱状贯穿孔结构的二维片状和三维花状的氮掺杂碳纳米材料,其制备过程如图2所示。
Siqi Jiang, Chen Li, Jiacheng Zhang, Qian Li, Haishan Xu, Fugui Xu, Yiyong Mai*, Block Copolymer Self-Assembly Guided Synthesis of Mesoporous Carbons with In-Plane Holey Pores for Efficient Oxygen Reduction Reaction. Macromolecular Rapid Communications 2022, 43, 2100884.